DE102013214964A1 - Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit variabler Verdichtung, bei dem insbesondere vorgesehen ist, dass die variable Verdichtung so vorgesteuert wird, dass eine effektive Verdichtung, abhängig vom Wirkungsgrad bei der Verbrennung und von der mechanischen Belastung von Komponenten der Brennkraftmaschine, im Saugbereich mit erhöhter Verdichtung und/oder im aufgeladenen Bereich mit verringerter Verdichtung eingestellt wird (145). Die variable Verdichtung kann durch Phasenverstellung einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine oder durch Nockenumschaltung mittels eines variablen Ventiltriebs erzeugt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einer Steuereinrichtung abläuft. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder einer Steuereinrichtung ausgeführt wird.
  • Stand der Technik
  • Die Verdichtung eines Kraftstoff-/Luftgemisches in einem Brennraum (Zylinder) einer hier betroffenen Brennkraftmaschine kann im Wesentlichen durch Variation des Schließzeitpunktes von an den Zylindern angeordneten Einlassventilen verändert werden. Der in Bezug auf den sogenannten „unteren Totpunkt“ bei der Verbrennung angegebene Schließzeitpunkt eines Einlassventils wird z.B. bei einem variablen Ventiltrieb mittels einer phasenverstellbaren Einlassnockenwelle verändert.
  • Ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis geht aus der DE 102 58 872 A1 hervor. Bei dem dortigen Verfahren erfolgt ein Starten der Brennkraftmaschine mit einem Verdichtungsverhältnis, das gegenüber Verdichtungsverhältnissen im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine verringert ist. In der dortigen 1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines variablen Verdichtungsverhältnisses beschrieben, jedoch kommt es auf die technischen Einzelheiten bei der Realisierung eines variablen Verdichtungsverhältnisses vorliegend nicht an.
  • Es ist ferner bekannt, das Verdichtungsverhältnis bei der Konstruktion von Brennkraftmaschinen in zwei unterschiedlichen Richtungen zu optimieren. Als Verdichtungsverhältnis wird das Volumen des gesamten Zylinderraums vor der Verdichtung zum verbliebenen Volumen nach erfolgter Verdichtung bezeichnet. Bei Saugmotoren wird das Verdichtungsverhältnis auf einen hohen Wirkungsgrad bei der Verbrennung ausgelegt, wohingegen bei aufgeladenen Motoren eine möglichst geringe mechanische Belastung von an der Verbrennung und der Aufladung beteiligten Komponenten der Brennkraftmaschine und damit ein möglichst guter Schutz vor einer möglichen mechanischen Überbelastung im Vordergrund steht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine ist eine variable Verdichtung vorgesehen, welche so vorgesteuert wird, dass die effektive Verdichtung abhängig von den genannten Anforderungen an den Wirkungsgrad bei der Verbrennung sowie an die Komponentenbelastung bzw. den Bauteilschutz im Saugbereich mit angehobener bzw. höherer Verdichtung und/oder im aufgeladenen Bereich mit geringerer bzw. verringerter Verdichtung angepasst wird.
  • Mit dem vorgeschlagenen Verfahren der variablen Verdichtung lässt sich eine aufgeladene Brennkraftmaschine sowohl im (reinen) Saugbetrieb als auch im aufgeladenen Betrieb bzw. im Übergangsbereich zwischen diesen Betriebsmodi mit relativ hohem Wirkungsgrad bei der Verbrennung betreiben und somit die genannten, sehr gegensätzlichen Anforderungen vereinen.
  • Es ist dabei hervorzuheben, dass es mit den im Stand der Technik bekannten Verfahren nicht möglich ist, den Wirkungsgrad im Saugbereich zu erhöhen, ohne gleichzeitig auch die Bauteilbelastung im aufgeladenen Bereich zu erhöhen.
  • Die variable Verdichtung wird bevorzugt durch Nockenwellenverstellung (Phasenverstellung) mittels eines Nockenwellenphasenstellers, insbesondere eines Einlassnockenwellenphasenstellers, realisiert. Allerdings kann auch eine Nockenumschaltung, z.B. mittels eines variablen Ventiltriebs, vorgesehen sein. Der Vorteil eines Nockenwellenphasenstellers gegenüber einem variablen Ventiltrieb liegt insbesondere darin, dass zur Realisierung einer variablen Verdichtung keine zusätzlichen Bauteile erforderlich sind.
  • Der genannte Bauteilschutz kann durch Begrenzung der Spitzenwerte (Peakwerte) des Zylinderdrucks sowie durch Verringerung der Klopfneigung verbessert werden.
  • Die Erfindung kann insbesondere in einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (Ottomotor) eines Kraftfahrzeugs mit den hierin beschriebenen Vorteilen zur Anwendung kommen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines kombinierten Block-/Flussdiagramms.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines durch einen Turbolader aufgeladenen Ottomotors dargestellt. Es versteht sich, dass die hierin beschriebenen Prinzipien auch bei einem aufgeladenen Dieselmotor anwendbar sind.
  • Nach dem Start 100 der gezeigten Routine werden zunächst z.B. von einem Motorsteuergerät 102 oder einer entsprechenden (nicht gezeigten) Sensorik bereitgestellte, aktuelle Betriebsbedingungen des Motors bzw. der Brennkraftmaschine abgerufen bzw. erfasst 105, und zwar z.B. die Drehzahl, die Motorlast, der Ladedruck, der Umgebungsdruck, die Umgebungstemperatur, die Oktanzahl des Kraftstoffs, oder dergleichen.
  • Basierend auf den erfassten Betriebsbedingungen wird die Klopfneigung des aktuellen Kraftstoff-Luftgemisches durch eine Modellrechnung anhand eines ersten Modells 107 abgeschätzt bzw. berechnet 110. Das erste Modell 107 berücksichtigt insbesondere aktuelle Werte der Last und Drehzahl des Motors sowie der Umgebungstemperatur und damit der Lufttemperatur der vom Motor angesaugten Luft. Die Klopfneigung der Brennkraftmaschine wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Klopfzahl (z.B. Oktanzahl) angegeben.
  • Aus diesem Wert der Klopfneigung wird ein maximales Verdichtungsverhältnis berechnet 115, bei dem es voraussichtlich noch nicht zu einem Klopfen kommt. Zusätzlich wird in Schritt 120, auf der Grundlage von vorliegend in dem genannten Motorsteuergerät abgelegten Daten 117 der Bauteilbelastungsgrenzen und den in Schritt 105 erfassten Betriebsbedingungen, und zwar wiederum durch eine Modellrechnung anhand eines zweiten Modells 118, ein maximal zulässiger Spitzenwert (Peakwert) für den Zylinderdruck bei der Verbrennung abgeleitet.
  • Das zweite Modell 118 entspricht in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einem invertierten Momentenbegrenzungsmodell, bei dem der maximal zulässige Spitzendruck aus dem maximalen Drehmoment entsprechend einer vorliegenden Momentenbegrenzung berechnet wird, welcher wiederum aus den Umgebungsbedingungen und dem aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abgeleitet wird.
  • Parallel oder zusätzlich zu den vorgenannten Schritten 110, 115 wird wiederum auf der Grundlage einer Modellrechnung anhand eines dritten Modells 123 ein bezüglich des Kraftstoffverbrauchs optimiertes Verdichtungsverhältnis berechnet 125. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beruht das dritte Modell 123 auf einem vom Motorenhersteller vorgegebenes, bei Auslegung eines konkreten Motors bestmögliches Verdichtungsverhältnis. Unter Berücksichtigung des in Schritt 115 berechneten maximalen Verdichtungsverhältnisses sowie des in Schritt 120 berechneten Peakwertes für den maximalen Zylinderdruck wird in Schritt 130 das zum aktuellen Betriebspunkt maximal verwendbare Verdichtungsverhältnis (sog. „Verdichtungsgrenze“) abgeleitet. Auf der Grundlage dieses Maximalwertes des Verdichtungsverhältnisses wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weiter ein Sollwert für das Verdichtungsverhältnis abgeleitet 135, welcher bei der Steuerung der Einlassventile als angeforderter Wert berücksichtigt wird.
  • Die zum aktuellen Betriebspunkt optimale Umsetzung des angeforderten Verdichtungsverhältnisses mit den in der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehenden Stellern wird in diesem Ausführungsbeispiel mittels eines Steller-Koordinators ermittelt 140. Im Rahmen der Umsetzung wird aus dem genannten Sollwert des Verdichtungsverhältnisses ein Steller-Sollwert für die genannte Einlassnockenwellenphasenverstellung abgeleitet 145, und zwar ein Sollwinkel für die Schließzeit des betroffenen Einlassventils.
  • Mit dem beschriebenen Verfahren liegt bei möglichst geringem Kraftstoffverbrauch stets ein optimales Verdichtungsverhältnis für die Verbrennung zur Verfügung, wobei gleichzeitig insbesondere die Bauteilbelastungen begrenzt werden.
  • Das beschriebene Verfahren kann entweder in Form eines Steuerprogramms in einem bestehenden Steuergerät zur Steuerung einer Brennkraftmaschine realisiert werden oder in Form einer entsprechenden Steuereinheit.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10258872 A1 [0003]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit variabler Verdichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Verdichtung so vorgesteuert wird, dass eine effektive Verdichtung, abhängig vom Wirkungsgrad bei der Verbrennung und von der mechanischen Belastung von Komponenten der Brennkraftmaschine, im Saugbereich mit erhöhter Verdichtung und/oder im aufgeladenen Bereich mit verringerter Verdichtung eingestellt wird (145).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Verdichtung durch Phasenverstellung einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Verdichtung durch Nockenumschaltung erzeugt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenumschaltung mittels eines variablen Ventiltriebs erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz von Komponenten der Brennkraftmaschine gegen mechanische Überbelastung eine Begrenzung von Maximalwerten des Zylinderdrucks erfolgt (120).
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz von Komponenten der Brennkraftmaschine gegen mechanische Überbelastung zusätzlich die Klopfneigung der Brennkraftmaschine verringert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopfneigung anhand von erfassten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine durch eine Modellrechnung anhand eines ersten Modells (107) bestimmt wird (110), wobei aus der bestimmten Klopfneigung ein maximales Verdichtungsverhältnis berechnet wird (115)
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert des Zylinderdrucks anhand von erfassten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, anhand von vorliegenden Bauteilbelastungsgrenzen (117) und anhand einer auf einem Momentenbegrenzungsmodell (118) basierenden zweiten Modellrechnung bestimmt wird, wobei der Maximalwert des Zylinderdrucks aus dem maximalen Drehmoment der Brennkraftmaschine berechnet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer auf einem dritten Modell (123) basierenden Modellrechnung ein hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimiertes Verdichtungsverhältnis berechnet wird (125).
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung des berechneten maximalen Verdichtungsverhältnisses (115) und des berechneten maximalen Zylinderdrucks (120) ein zum aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine maximal verwendbares Verdichtungsverhältnis berechnet wird und auf der Grundlage des maximal verwendbares Verdichtungsverhältnisses ein Sollwert für das Verdichtungsverhältnis berechnet wird (135), welcher bei der Steuerung von Einlassventilen der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird.
  11. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät (102) ausgeführt wird.
  12. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät (102) ausgeführt wird.
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